Dlaczego wyładowania elektrostatyczne uszkadzają diody LED

Wpływ wyładowań elektrostatycznych na diody LED jest niestety rzadko poruszanym tematem, co jest nieco dziwne, ponieważ jest to jedna z głównych przyczyn uszkodzeń diod LED. Dlatego w ramach naszych starań poszerzania świadomości i wiedzy na temat oświetlenia LED postanowiliśmy napisać na ten temat artykuł.

Diody LED, a elektrostatyka.

Mimo nieustannego podnoszenia odporności diod LED na ładunki elektrostatyczne wciąż są to elementy stosunkowo wrażliwe na tego typu zagrożenie. Szacuje się, że nawet do 30% wszystkich uszkodzeń diod LED powodują właśnie ładunki elektrostatyczne. Dlatego podczas instalacji oświetlenia LED należy zwracać sporą uwagę na kwestie związane z elektrostatyką. Aby jednak móc skutecznie chronić diody LED przed ESD (ElectroStatic Discharge) trzeba wiedzieć:

Czym są i jak powstają ładunki elektrostatyczne?

Najczęstszą przyczyną powstawania ładunku elektrostatycznego jest kontakt, a następnie rozdzielenie dwóch materiałów określanych jako tryboelektryczne. Następuje wtedy przeskok elektronów pomiędzy materiałami. Elektrony, które są naładowane ładunkiem ujemnym przeskakują z powierzchni jednego materiału na powierzchnię drugiego materiału. Który z nich straci elektrony, a który zyska zależy od rodzaju i budowy materiału. Po takim kontakcie i rozdzieleniu materiałów, ten który stracił elektrony zostaje naładowany dodatnio, a ten drugi ujemnie. Skłonność materiałów do elektryzowania się określa tzw. szereg tryboelektryczny, który jest niczym innym jak zestawieniem materiałów pod kątem ich skłonności do przyjmowania ładunku dodatniego lub ujemnego podczas zetknięcia i rozdzielenia.

W codziennych czynnościach nieustannie coś ze sobą stykamy, a następnie rozdzielamy. Podczas chodzenia stykamy i rozdzielamy stopy lub podeszwy butów z podłożem. Zmiana ubrania, czesanie się czy choćby przetarcie powierzchni szmatką to również stykanie i rozdzielanie. Wyjmowanie taśmy LED z opakowania niestety również jest czynnością stykania i rozdzielania – więc następuje przeskok elektronów i powstawanie ładunku elektrostatycznego. Nawet zwykłe odwijanie taśmy samoprzylepnej może spowodować naładowanie.

Co wpływa na wielkość wyładowania elektrostatycznego?

Wielkość tego wyładowania (czyli przede wszystkim ładunku ale pośrednio również napięcia) zależy od rodzaju materiałów oraz od ilości zetknięć i rozłączeń. W dużym stopniu zależy również od wilgotności powietrza. Zależność ta jest odwrotnie proporcjonalna, czyli im większa wilgotność tym mniejsze ładunki elektrostatyczne. Warto więc dbać o utrzymywanie względnie dużej wilgotności powietrza podczas instalacji LED (jak również na co dzień) ponieważ różnice są duże. Dla przykładu zwykłe przejście po dywanie przy wilgotności około 20% potrafi naładować człowieka do napięcia nawet 35-40 tysięcy Voltów! Ale to samo przejście przy wilgotności około 70% wygeneruje napięcie w okolicach 1500-3000 V. To bardzo duża różnica, ponieważ im niższe napięcie tym mniejszy ładunek elektrostatyczny, a tym samym mniejsza energia rozładowania, czyli ryzyko uszkodzenia. Ponadto wyższa wilgotność powietrza w pomieszczeniach (na poziomie ~50%) jest również wskazana dla człowieka ze względów zdrowotnych. W niesprzyjających warunkach, czyli przy bardzo niskiej wilgotności powietrza, sztucznej wykładzinie czy dywanie, podeszwach z plastiku oraz w ubraniu z tworzyw sztucznych człowiek może się naładować nawet do 75 tysięcy Voltów!

W jaki sposób elektrostatyka (ESD) uszkadza diody LED?

Wyładowanie elektrostatyczne może zostać spowodowane nie tylko przez bezpośredni kontakt ale również poprzez pole elektrostatyczne (czyli na pewną odległość). To niestety zwiększa ryzyko uszkodzeń. W przypadku diod LED wyładowanie elektrostatyczne wcale nie musi od razu uszkodzić diody na tyle, aby przestała ona natychmiast świecić. Właściwie zdarza się tak bardzo rzadko. Najczęściej wyładowania ESD powodują mikrouszkodzenia struktury wewnętrznej diody (wypalanie mikro-otworów oraz szczelin) niemożliwe do zaobserwowania bez solidnego mikroskopu. Dioda z tego typu mikrouszkodzeniami dalej świeci ale jej żywotność zostaje drastycznie skrócona. Nie dość, że po takim wyładowaniu jej jasność spada zdecydowanie szybciej niż w pełnowartościowej diodzie to jeszcze podatność na wszelkiego rodzaju przepięcia rośnie – dlatego już po kilku tygodniach pracy może przestać działać lub zauważalnie zmienić swoje parametry. Z tego powodu nazwaliśmy elektrostatykę „cichym zabójcą”, ponieważ bardzo trudno jest od razu zauważyć uszkodzenie, a po jakimś czasie nie wiadomo z jakiego powodu diody przestają świecić.

Jak zabezpieczać się przed wyładowaniami elektrostatycznymi?

Nie da się całkiem uniknąć takich wyładowań. Istnieje jednak kilka skutecznych sposobów na ich minimalizację. Co więc możemy zrobić?

1. Zwracać uwagę na ubrania noszone podczas instalacji. Unikać sztucznych materiałów i zamiast nich stosować naturalne tkaniny. Podeszwy butów wykonane z tworzyw sztucznych również zwiększają ryzyko ESD, dlatego lepsze są te, wykonane z gumy lub naturalnych materiałów.
2. W miarę możliwości zadbać o jak najwyższą wilgotność powietrza w pomieszczeniu, w którym instalujemy oświetlenie LED.
3. Przed dotknięciem jakiegokolwiek elementu instalacji LED należy rozładować się poprzez dotknięcie do uziemionego metalowego elementu.
4. Taśmy LED dobrych producentów są zawsze pakowane w specjalne folie zabezpieczające przed elektrostatyką. Nie wyciągajmy więc ich z ochronnych opakowań bez potrzeby. Zróbmy to tuż przed sama instalacją, koniecznie po rozładowaniu się zgodnie z punktem 3.
5. Taśmy LED lub pojedyncze diody LED są zdecydowanie mniej odporne na ESD niż gotowe oprawy lub lampy LED. Dlatego jeśli często montujemy te pierwsze w niekorzystnych warunkach (niska wilgotność, montaż w tworzywach sztucznych lub materiałach podatnych na elektryzowanie się, itp.) to warto wyposażyć się w specjalne opaski uziemiające dostępne w wielu hurtowniach elektronicznych. Zagwarantują one skuteczne odprowadzenie wszelkich ładunków elektrostatycznych z ciała instalatora do uziemienia w sposób ciągły.
6. ESD jest groźne dla diod LED również po ich zainstalowaniu. Ryzyko wprawdzie spada ze względu na rozpraszanie się ładunków na cały obwód, jednak wciąż istnieje. Dlatego polecamy specjalne preparaty anty-elektrostatyczne, którymi warto spryskać część instalacji zawierającą diody LED. Preparaty te znacznie ograniczają możliwość przeskakiwania elektronów między materiałami zmniejszając w ten sposób powstawanie ładunków elektrostatycznych.

Te kilka kroków pozwoli Państwu tworzyć na prawdę długowieczne oraz bezawaryjne instalacje LED. Oczywiście tylko pod kątem uszkodzeń na wskutek ESD, ponieważ zagrożeń dla diod LED jest niestety zdecydowanie więcej. Mogą Państwo o nich przeczytać w pozostałych naszych artykułach technicznych.

Krzysztof Ratyński